Fils du Gérard d’Alsace, duc de Lorraine, et d’Hedwige de Namur. À la mort de son père, en 1070, la succession du duché lui fut contestée par Louis, comte de Montbéliard et de Bar, qui avait épousé Sophie de Bar, fille de Frédéric II, un ancien duc de Lorraine. Thierry, pour confirmer ses droits convoqua une assemblée de la noblesse lorraine. Pour gagner l’appui de son frère, il lui donna le comté de Vaudémont. L’assemblée choisit comme duc Thierry et Louis mourut peu après, mais le nouveau comte de Montbéliard Thierry 1er réclama à son tour le duché. L’arbitrage de l’empereur Henri IV confirma à Thierry d’Alsace la possession du duché. Il épousa en premières noces vers 1075 Edwige de Formbach fille de Frédéric, comte de Formbach.
Thierry fut un fidèle des empereurs, participa à plusieurs campagnes contre les Saxons et prit le parti de l’empereur dans le conflit qui l’opposa aux papes Grégoire VII et Urbain II. En 1095, il envisagea de se croiser, mais se fit relever de son vœu par le légat pontifical à cause de son état de santé et engagea les chevaliers lorrains à y participer. Veuf, il épousa en secondes noces vers 1095 Gertrude de Flandre, veuve de Henri III de Louvain, fille de Robert 1er le Frison, comte de Flandre, et de Gertrude de Saxe,
À la fin de son règne, Thierry prit ses distances avec le pouvoir impérial, ne voulant pas intervenir dans le conflit entre Henri IV et son fils le futur empereur Henri V. De même, il ne voulut pas prendre parti dans la lutte entre Henri V et Lothaire de Supplimbourg, un beau-frère de son fils aîné. Henri V lui attribue le titre de marquis, et à partir de 1115 ses successeurs utiliseront les titres de duc de Lorraine et marquis.
Il fonde le prieuré Notre-dame dépendant de Molesme en 1080 et le castrum de Neufchâteau vers 1080/1090 comprenant château, ville neuve, église Saint-Nicolas et plus tard un marché et un atelier monétaire.
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